B2 · Acides aminés et protéines

Les acides aminés : structure, classification et propriétés acido-basiques

Décrire la structure générale d'un acide aminé, la série L et la classification des vingt acides aminés protéinogènes selon leur chaîne latérale. Analyser leur comportement acido-basique, tracer une courbe de titration et calculer un point isoélectrique.

Biochimie structurale et métabolique7 min de lecture17 QCM corrigés

Structure générale des acides aminés

La structure générale d'un acide α-aminé s'écrit $\ce{H2N-CH(R)-COOH}$ . Le carbone α est celui qui jouxte le carbone du groupe carboxyle. La chaîne latérale $R$ varie d'un acide aminé à l'autre et détermine l'essentiel de ses propriétés chimiques.

Dans l'eau, les fonctions amine et carboxyle échangent des protons avec le milieu. À pH voisin de la neutralité, la forme majoritaire porte généralement un carboxylate $\ce{-COO^-}$ et un ammonium $\ce{-NH3^+}$ .

La charge globale d'un acide aminé dépend donc du pH et, lorsque la chaîne latérale est ionisable, de l'état de protonation de cette dernière.

Stéréochimie et série L

Chiralité du carbone α

Pour dix-neuf acides aminés protéinogènes, le carbone α est asymétrique. La glycine fait exception, car sa chaîne latérale est un second atome d'hydrogène. Son carbone α porte donc deux substituants identiques et n'est pas chiral.

Deux configurations opposées autour d'un carbone asymétrique sont des énantiomères. La convention D/L est établie à partir d'une projection de Fischer dans laquelle le groupe carboxyle est placé en haut et la chaîne latérale en bas. Lorsque la fonction amine est à gauche, l'acide aminé appartient à la série L.

Les acides aminés incorporés dans les protéines par la machinerie de traduction appartiennent à la série L. Cette appartenance traduit une reconnaissance stéréospécifique par les enzymes et les ARN de transfert.

Pour les acides aminés protéinogènes, la configuration L correspond généralement au descripteur absolu S. La cystéine fait exception et possède une configuration R, car le soufre de sa chaîne latérale modifie l'ordre de priorité des substituants. La glycine ne possède aucun descripteur R ou S.

Classification selon la chaîne latérale

La classification repose sur la polarité, la charge et la nature chimique de $R$ . Elle permet d'anticiper la solubilité dans l'eau et les interactions possibles dans une protéine, sans préjuger à elle seule de la structure tridimensionnelle.

Chaînes latérales apolaires

Les chaînes apolaires interagissent peu avec l'eau. Elles comprennent :

Glycine, dont la chaîne latérale est un hydrogène
Alanine, à chaîne méthyle
Valine, leucine et isoleucine, à chaînes aliphatiques ramifiées
Méthionine, qui contient un thioéther non chargé
Proline, dont la chaîne latérale cyclique rejoint l'azote α

La proline possède ainsi une fonction amine secondaire cyclique. Sa géométrie restreint fortement la mobilité de la chaîne principale.

Chaînes latérales aromatiques

La phénylalanine, la tyrosine et le tryptophane possèdent un système aromatique. La phénylalanine est principalement apolaire. La tyrosine comporte un groupe phénol et le tryptophane un azote indolique, ce qui augmente leur aptitude aux interactions polaires.

Chaînes polaires non chargées aux pH usuels

La sérine et la thréonine portent un groupe hydroxyle. L'asparagine et la glutamine portent une fonction amide. La cystéine porte un thiol, susceptible de perdre un proton lorsque le pH augmente.

Chaînes acides et basiques

L'aspartate et le glutamate comportent un groupe carboxylique latéral. Après déprotonation, leur chaîne latérale porte une charge négative.

La lysine, l'arginine et l'histidine portent une fonction basique. Leurs chaînes latérales protonées sont chargées positivement. L'histidine possède un groupe imidazole dont l'état de protonation varie particulièrement autour des pH biologiques.

Comparaison

Classification des vingt acides aminés protéinogènes

Classe	Acides aminés	Propriété dominante de la chaîne latérale
Apolaires aliphatiques	glycine, alanine, valine, leucine, isoleucine, méthionine, proline	faible affinité pour l'eau
Aromatiques	phénylalanine, tyrosine, tryptophane	présence d'un cycle aromatique
Polaires non chargés	sérine, thréonine, cystéine, asparagine, glutamine	liaisons polaires avec l'eau
Acides	aspartate, glutamate	charge latérale négative après déprotonation
Basiques	lysine, arginine, histidine	charge latérale positive après protonation

Comportement acido-basique

Espèces protonées et déprotonées

Un acide aminé est amphotère : sa fonction carboxylique peut céder un proton, tandis que sa fonction amine peut en capter un. À pH très acide, les groupements sont fortement protonés. Lorsque le pH augmente, ils se déprotonent successivement par ordre de $pK_a$ croissant.

Pour un acide aminé sans chaîne latérale ionisable, le groupe $\ce{-COOH}$ possède généralement le $pK_a$ le plus faible et se déprotone en premier. Le groupe $\ce{-NH3^+}$ se déprotone ensuite à pH plus élevé :

forme totalement protonée : charge globale $+1$ ;
forme zwitterionique : charge globale nulle ;
forme totalement déprotonée : charge globale $-1$ .

Les groupes carboxyliques latéraux de l'aspartate et du glutamate ajoutent une déprotonation acide. Les groupes basiques de la lysine, de l'arginine et de l'histidine ajoutent une déprotonation d'une fonction initialement positive. Les groupes thiol de la cystéine et phénol de la tyrosine sont également ionisables à pH suffisamment élevé.

Lorsque $\mathrm{pH}=pK_a$ , les formes protonée et déprotonée sont présentes en concentrations égales. Le système résiste alors le mieux à une variation de pH : il constitue une zone tampon.

Courbe de titration

Une courbe de titration représente le pH en fonction de la quantité de base forte ajoutée. Chaque groupement ionisable produit une transition entre deux états de protonation.

Pour un acide aminé possédant seulement les fonctions α-carboxyle et α-ammonium, la courbe comporte deux zones tampons et deux déprotonations successives. Un acide aminé dont la chaîne latérale est ionisable présente une troisième transition.

Point isoélectrique

Le $pI$ est encadré par les deux $pK_a$ correspondant aux déprotonations qui entourent directement l'espèce de charge nulle.

Pour une chaîne latérale non ionisable, les deux valeurs retenues sont généralement celles des fonctions α-carboxyle et α-ammonium. Pour un acide aminé acide ou basique, il faut d'abord établir toutes les charges successives : prendre automatiquement les deux $pK_a$ des fonctions α conduirait à une erreur.

Exemple

Calculer le point isoélectrique du glutamate

Le glutamate possède trois groupements ionisables, de valeurs $pK_a$ égales à $2{,}2$ , $4{,}3$ et $9{,}7$ .

Avant toute déprotonation, sa charge globale est $+1$ .
Après la déprotonation associée à $pK_a = 2{,}2$ , sa charge globale devient $0$ .
Après la déprotonation associée à $pK_a = 4{,}3$ , sa charge globale devient $-1$ .

L’espèce de charge nulle est donc encadrée par les deux premières valeurs de $pK_a$ .

pI = \frac{2{,}2 + 4{,}3}{2} = 3{,}25

Le point isoélectrique du glutamate vaut $3{,}25$ . La troisième valeur de $pK_a$ , égale à $9{,}7$ , n’est pas retenue car elle n’encadre pas l’espèce de charge globale nulle.

À un pH inférieur au $pI$ , la population porte en moyenne une charge positive. À un pH supérieur au $pI$ , elle porte en moyenne une charge négative. Au $pI$ , les molécules restent ionisées intérieurement sous forme zwitterionique, même si leur charge globale moyenne est nulle.

Dans une protéine, les fonctions α-amino et α-carboxyle internes sont engagées dans les liaisons peptidiques ; leur formation et les structures protéiques sont traitées dans les fiches suivantes.

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